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1 GEOL1001 SESSION 2010 ____________ Filière BCPST-Véto GEOLOGIE Durée : 3h30 ___________ L’usage de la calculatrice, d’abaques et de tables est autorisé pour cette épreuve. Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il a été amené à prendre. SUJET : BALADES GEOLOGIQUES DANS LE TEMPS ET DANS L’ESPACE … MAIS SURTOUT VERS L’EST ! N.B. Le sujet comporte 9 pages. Les 4 premiers exercices proposés sont suffisamment indépendants pour être abordés dans n’importe quel ordre. La géologie, c’est du temps plaqué sur de l’espace… (Michel Marthaler) Toujours à l’est !

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GEOL1001

SESSION 2010

____________

Filière BCPST-Véto

GEOLOGIE

Durée : 3h30

___________

L’usage de la calculatrice, d’abaques et de tables est autorisé pour cette épreuve. Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il a été amené à prendre.

SUJET :

BALADES GEOLOGIQUES DANS LE TEMPS ET DANS L’ESPACE …

MAIS SURTOUT VERS L’EST !

N.B. Le sujet comporte 9 pages. Les 4 premiers exercices proposés sont suffisamment indépendants pour être abordés dans n’importe quel ordre.

La géologie, c’est du temps plaqué sur de l’espace… (Michel Marthaler)

Toujours

à l’est !

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Exercice 1 : La géologie de l’est de la France

(D’après Exercice TP agrégation 2008)

A partir de l'étude de la carte géologique de France au millionième et de sa notice : 1. En utilisant une feuille de papier

calque qui sera ensuite collée dans la copie, construire un schéma structural soigneusement légendé de la région dont la figure 1 donne les limites.

Figure 1

2. Récapituler sous forme de tableau (cf. ci-dessous) dans un ordre chronologique, les principaux évènements sédimentaires, magma-tiques, métamorphiques et tectoni-ques de l'histoire géologique du fossé rhénan depuis 400 Ma.

Chronologie Evènements sédimentaires

Evènements métamorphiques et magmatiques

Evènements tectoniques

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Exercice 2 : La subsidence du Fossé Rhénan

Figure 1 : Montage réalisé à partir de deux profils de sismique réflexion dans l’Est de la France (d’après Mayer, 1997) N.B. Le temps exprimé sur l’axe vertical est en seconde temps double. 1- Indiquer deux caractéristiques du fossé rhénan qui peuvent être dégagées de l’étude de la figure 1.

Soumise à une extension, la lithosphère s’amincit (croûte et manteau lithosphérique). Enveloppes Croûte manteau lithosphérique manteau asthénosphérique

Masse volumique d = 2,7 g.cm-3 D = 3,3 g.cm-3 D’ = 3,25 g.cm-3 Epaisseur initiale h = 30 km H= 80 km

N.B. Pour les questions 2 et 3 un calcul littéral précèdera l’application numérique.

2- Quel est l’effet d’un amincissement de 20 % de la croûte seule sur l’altitude de la région supposée nulle avant l’extension ? 3- Quel est l’effet d’un amincissement de 20 % du manteau lithosphérique seul sur l’altitude de la région supposée nulle avant l’extension ? 4- Les deux amincissements se produisant ensemble lors de l’extension quelle sera finalement l’altitude de la région. 5- Que se passe-t-il si la zone d’asthénosphère qui est remontée se refroidit ? 6- Dans quel contexte géodynamique se produit l’extension oligocène du fossé rhénan ?

Exercice 3 : La capture de la Moselle D’après : http://artic.ac-besancon.fr/svt/act_ped/ svt_lyc/concours/ geosciences-2009/sujet_2009.pdf A partir de l’exploitation des différents documents proposés, reconstituer l’histoire du cours de la Moselle au cours des derniers 300 000 ans et expliquer ce phénomène que les géologues et géomorphologues appellent une capture. Figure 1 : Carte simplifiée de la région étudiée. N.B. On pourra se repérer également sur la carte au millionième, juste au-delà de la limite ouest de la zone étudiée dans l’exercice 1.

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Figure 2 : Nature des alluvions anciennes (datées de plus de 250 000 ans) trouvées au niveau de la Meuse et de la Moselle cf. zone sur la figure 1.

Figure 3 : Image satellitaire du « Val de l’Asne », paysage observé entre Toul et Pagny sur Meuse.

Figure 4 : Relief actuel entre la Meuse et la Moselle entre Toul (à l'Est) et Pagny (à l'Ouest). Les numéros font référence aux lieux des forages de la figure 5. N.B. L’échelle verticale est exagérée.

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Figure 5 : Altitude de la base des alluvions anciennes mesurée sur des affleurements ou grâce à des forages dont les numéros sont repérés sur la figure précédente.

Remarque : En réalisant un forage aux points 5, 6 et 7 on ne trouve pas les alluvions anciennes. En revanche, on trouve ces alluvions à quelques centaines de mètres de là, à des altitudes plus élevées. On fait l'hypothèse qu'aux points 5, 6 et 7 les alluvions anciennes ont été érodées, mais qu'elles se trouvaient à la même altitude que les restes d'alluvions observés à proximité.

Figure 7 : L’érosion régressive d’une rivière : Migration vers l’amont du point de rupture de pente du profil de la rivière (stades 1, 2, 3 antérieurs au stade P actuel) in Eléments de Géologie Pomerol Dunod (P.649)

Figure 6 : Carte schématique de la localisation des alluvions récentes et anciennes de la région Touloise

N.B. L’autoroute A33 emprunte la vallée entre Pagny sur Meuse et Toul.

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Exercice 4 : Le magmatisme du Kaiserstuhl (Fossé Rhénan)

A partir des documents présentés, donner les

conditions dans lesquelles le magmatisme du fossé

rhénan a pu apparaître.

Préciser le chimisme de ce magmatisme, les conditions

de la fusion partielle (roche(s) initiale(s) et pourcentage

de fusion) et expliquer les origines possibles de la

diversité des roches présentes.

Les carbonatites sont des roches magmatiques

exceptionnelles dont l’origine est encore discutée.

Dégager leurs particularités chimiques et proposer des

hypothèses permettant de les expliquer.

Figure 1 : Carte schématique des roches du Kaisersthul

Figure 2 : Composition chimique des roches du

Kaiserstuhl (en %)

N.B. 32,8 % de CO2 s’ajoute à la composition de la

carbonatite

Carbonatite 1 ,8 0,2 1,1 6 1,3 1,6 48,7 0,2 0,1 4,9 0,5

N.B. Le diagramme de Harker fourni ci-dessous sera utilisé dans la résolution de la problématique.

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Figure 3 :

Carte de la profondeur du Moho déduite de la

sismique réflexion et réfraction profonde

Figure 4 : Echantillon de Carbonatite du Kaiserstuhl

Gros cristaux blancs de calcite (en abondance)

N.B. Très rares cristaux de silicates.

Feldspathoïde

Pyroxène

Amphibole

Plagioclase

Pâte riche en plagioclases et oxydes

Figure 5 : Photo de lame mince de

Téphrite (LPNA)

Figure 6 : Abondance des éléments

incompatibles dans deux carbonatites

d’Afrique de l’Est comparables à celles du

Kayserstuhl. Les résultats sont exprimés

sous forme du rapport :

carbonatite /MORB de type E.

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Exercice 5 : Variabilité naturelle du cycle du carbone (D’après ftp://trf.education.gouv.fr/pub/edutel/siac/siac2/jury/2008/agreg_ext/svt2.pdf)

1-Reconstruction des paléo-teneurs atmosphériques de CO2

La quantité de stomates par unité de surface des feuilles des végétaux dépend pour partie de la concentration en CO2 de l’atmosphère. Ce paramètre peut donc potentiellement servir de traceur de la pCO2 pour les temps anciens. On définit l’indice stomatique (SI) comme suit : SI = SD / (SD + ED) SD étant la densité stomatique (c'est-à-dire le nombre de stomates par unité de surface foliaire) et ED étant la quantité de cellules épidermiques présentes par unité de surface foliaire.

Figure 1 1.1 Donner la relation qui existe entre l’indice stomatique SI des plantes et la concentration

atmosphérique en CO2, notée pCO2. 1.2 Déterminer grâce à la figure 1, l’équation de la droite correspondant au Ginkgo biloba. 1.3 A partir de cette équation et des mesures de la figure 2 réalisées sur différentes espèces de Ginkgo

actuelle et fossiles, calculer pCO2 pour G. biloba et G. wyomingensis. 1.4 Comment évolue la concentration de CO2 atmosphérique et le climat depuis 225 Ma ? Figure 2

Feuille de Ginkgo fossilisée

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2-Place de l’altération dans le cycle géologique du carbone Les équations bilan non équilibrées des réactions de dissolution d’un silicate, d’un sulfate et d’un carbonate et de précipitation d’un carbonate sont données ci-dessous : Dissolution : pyroxène _ CaMgSi2O6 + _ H2O + _ CO2 � _ Ca2+ + _ Mg2++ _ HCO3

- + _ H4SiO4

gypse _ CaSO4 � _ Ca2+ + _ SO42-

calcite _ CaCO3 + _ CO2 + _ H2O � _ Ca2+ + _ HCO3-

Précipitation d’un carbonate : _ Ca2+ + _ HCO3- � _ CaCO3 + _ H2O + _ CO2

2.1 Equilibrer les réactions. Ensuite, pour chaque minéral (pyroxène, calcite, gypse), faire le bilan final en termes de rejet/fixation de CO2 lorsque le couplage des réactions de dissolution du minéral et de précipitation des carbonates a lieu. 2.2 Quel est le point commun des régions étudiées dans la figure 3 ? Comment expliquer la richesse systématique en ions hydrogénocarbonates (HCO3

-) des cours d’eau répertoriés ci-dessous.

Nom du bassin versant HCO3- (µmol.L-1) T (Kelvin)

Deccan 2719 300 Islande 480 275 Réunion 1311 290

Massif Central 686 282 Figure 3 2.3 Quel est le devenir des ions hydrogénocarbonates des cours d’eau ? 2.4 Reporter sur le graphique donné ci-dessous (semi-log) la concentration en ions hydrogénocarbonates en fonction de 1000/T pour les points mesurés de la figure 3. Que peut-on déduire de la courbe obtenue ? Quel type de rétroaction cela implique au sein du cycle du carbone et quelle en est la conséquence ?

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CORRECTION DS DE GEOSCIENCES : Soin général, rédaction, orthographe

EXERCICE 1 : 1. Schéma structural soin symboles légendes cf. Schéma en fin de correction différents domaines géologiques : fossé rhénan oligo-miocène, Rhin, socle I et précambrien (Vosges cristallines et Forêt Noire), bassin houiller carbonifère auréoles orientales du bassin parisien (couverture II) ; couverture II sur socle bordant le fossé Jura (couverture II)

Nb failles indifférenciées, F normales à regards convergents �graben Volcanisme miocène (Kaiserstuhl = K) chevauchements Jura à vergence nord et au sein du socle I (collision), coulissages sénestres 2. Histoire géologique de la région (tableau) Principaux évènements (respects des consignes Chronologie Evènements sédimentaires Evènements magmatiques

et métamorphiques Evènements tectoniques

Pliocène à Quaternaire

Dépôts fluviatiles (Rhin)

Chevauchement du Jura au sud du fossé rhénan Rajeunissement Vosges Forêt Noire (� relief)

Miocène Volcanisme du Kaiserstuhl

Oligocène Dépôts très épais dans le fossé rhénan (> 2500 m vu la profondeur de la base du cénozoïque)

Amincissement crustal, failles normales � formation du fossé rhénan

Eocène e Jurassique j Trias t

Dépôts sédimentaires

Permien r Carbonifère h2 h3 Carbonifère h1 Dévonien d2h

Dépôts localisés Dépôts sédimentaires

Granitoïdes de collision 15, 17+++ Volcanisme calco-alcalin à alcalin (collision) Métam. de collision (SV/Amphibolite) + Migmatites) Volcanisme tholéitique à calcoalcalin de marge active

Orogenèse varisque Extension post-orogénique Collision Failles chevauchements Décrochements syn et post 17 Subduction (relique éclogitique)

EXERCICE 2 : 1. Importante sédimentation et amincissement crustal (> 10 %) Remontée du Moho

2. Voir schéma en fin de correction s+0,8h +H’= h soit s = 0,2h-H’ et hd = 0,8hd +H’D’ soit H’=0,2hd/D’ d’où s = 0,2 h(1-d/D’) soit une subsidence ≈ 1015m

3. De même 0,8H + H’ = H+s soit s = H’-0,2H et HD=0,8HD +H’D’soit H’=0,2HD/D’ d’où s = 0,2H(D/D’-1) soit une remontée ≈ 246 m

4. somme des deux mouvements verticaux : subsidence de 769 m 5. D’ devient D !!! excès de masse et nouvelle subsidence, thermique cette fois !!! 6. Orogenèse alpine, subduction traction � extension ou (et) minicellule de convection

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EXERCICE 3 : fig.1 Tracé curieux (Moselle), angle droit à Toul. Vallée sans rivière (Val de l’Asne) Sur 10-6 sources au niveau du socle pour Moselle et Meurthe et sur terrains jurassiques pour Meuse fig .2 Alluvions = produits d’érosion issus de l’amont du pt de dépôt = reflets des régions traversées Moselle : grès (trias) et granite (socle I) Meuse amont : calcaires (jurassiques) aval (mélange !!! comme si des alluvions du cours supérieur de la Moselle étaient mélangées à celles de la Meuse…

fig.3 Vallée sans rivière avec plusieurs méandres morts = vestiges de l’ancienne vallée de la Moselle fig.4 et 5 Actuellement, lit de la Moselle plus bas que celui de la Meuse (+ col entre les deux !) MAIS pente inverse pour la base des alluvions anciennes de la Moselle vers la Meuse donc écoulement possible de l’est vers l’ouest

fig.6 L’âge et la position des alluvions permettent d’envisager une modification du tracé du cours de la Moselle entre - 160 et - 250 000 ans

fig.7 L’explication de la capture peut être déduite du phénomène d’érosion régressive présenté. La Moselle aurait été capturée par un affluent de la Meurthe s’écoulant de l’ouest vers l’est. L’évolution du profil de cet affluent vers son profil d’équilibre aurait entrainé un recul du point de rupture vers l’amont et un creusement qui a pu vers 200 000 ans mettre en relation cette vallée et celle de la Moselle ; la pente plus importante, par rapport au val de l’Asne, a privilégié l’écoulement la Moselle vers l’est, délaissant ainsi son ancien cours.

EXERCICE 4 : Diagramme de Harker construction des points correctes � Le volcanisme est de type alcalin, à hyper alcalin, comparable à celui du rift est africain.

Les caractéristiques géochimiques des laves sont indicatrices d’un taux de fusion faible de péridotites du manteau et d’une grande profondeur de formation du magma.

Au début du Tertiaire, en périphérie des Alpes, la traction exercée par la lithosphère européenne en subduction, soumet la croûte à une extension passive. Elle s’étire et s’amincit (Moho fig.3). Le manteau supérieur s’élève, forme un bombement sous le fossé rhénan, et se décomprime. La décompression du manteau peut engendrer à 100 km de profondeur la fusion partielle de 5% des minéraux de la péridotite, donnant un magma pauvre en silice et riche en alcalins (Na, K).

Des néphélinites aux phonolites, elles s’enrichissent en silice, alumine, Na et K et s’appauvrissent en oxydes de fer, Mg et Ca.

Dans le magma d’origine, la pauvreté en silice conduit à la cristallisation de feldspathoïdes (néphéline, leucite) à la place des feldspaths. L’enrichissement progressif en silice permet l’apparition des feldspaths (cf téphrite fig.5 avec Feldspathoïdes et Feldspath présents).

La diversité des laves (fig.5 texture microlitique) du massif s’explique par la cristallisation fractionnée du magma d’origine ou (et) la contamination par la croûte continentale.

Carbonatites : riches en carbonates (calcite en phénocristaux fig.4) et phosphate, très rares silicates (Silicium quasi nul !!!) Extraordinaire richesse en éléments incompatibles comparée au MORB pourtant E (enrichi) donc très très faible fusion partielle

HYP : à très faible degré de fusion, production d’un magma très riche en éléments incompatibles et volatils CO2. Le manteau d'origine ayant été préalablement enrichi en CO2 et en calcium par des circulations de fluides dans la croûte (pour géologue confirmé �points bonus !!!)

HYP : magma riche en CO2 et en CaO (souvent un magma sous-saturé en silice) subit un processus de cristallisation fractionnée dans une chambre magmatique au sein de la croûte. Ce magma se sépare en deux liquides distincts, un magma silicaté, et un magma carbonaté non miscibles qui vont avoir des trajets différents dans la croûte et donner naissance à des roches volcaniques ou plutoniques soit silicatées, soit carbonatées. (pour géologue hors norme �points bonus !!!)

EXERCICE 5 : 1.1 Relation linéaire décroissante entre SI et teneur atmosphérique en CO2 : SI= a.pCO2 +b.

1.1 En prenant 2 points 1 et 2 sur la droite Ginkgo biloba, on obtient : a= (SI1-SI2)/(pCO21-pCO22) soit a= (11-8)/(318-361)=- 0,07 et b=SI1+ 0.07.pCO21 soit b=33,2 SI= -0,07.pCO2+33,2 et donc pCO2= -14SI+474. 1.3 En mesurant la densité stomatique d’une feuille, il est donc possible de remonter à la teneur atmosphérique en CO2 en faisant l’hypothèse que cette relation linéaire est générale à toutes les espèces de Ginkgo au fil des temps géologiques (actualisme)

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G. biloba : 344 ppm wyomingensis : 417 ppm 1.4 Alternance de périodes à forte (climat chaud par important effet de serre) et à faible (climat froid par faible effet de serre) teneurs en CO2. Actuellement on est en période froide, malgré le réchauffement climatique anthropique depuis 150 ans

2.1 Hydrolyse d’un pyroxène : CaMgSi2O6 + 6H2O + 4CO2 � Ca2+ + Mg2++ 4HCO3- + 2H4SiO4

calcite : CaCO3 + CO2 + _ H2O � Ca2+ + 2HCO3-

gypse : CaSO4 � _ Ca2+ + SO42-

Précipitation des carbonates : Ca2+ + 2HCO3- � CaCO3 + H2O + CO2

Couplages dissolution/précipitation : pour pyroxène (N.B. précipitation de carbonates sous forme de CaCO3 mais aussi de MgCO3) CaMgSi2O6 + 4 H2O + 2 CO2� CaCO3 + MgCO3 + 2H4SiO4 bilan déficitaire : 2 moles de CO2 atmosphérique consommées pour 1 mole de pyroxène dissoute

Pour calcite : CaCO3 � CaCO3 bilan nul en terme de rejet/consommation de CO2 atmosphérique Pour gypse : CaSO4 + 2HCO3- �CaCO3 + H2O + CO2 + SO42- bilan excédentaire : 1 mole de CO2 atmosphérique rejetée pour 1 mole de sulfate dissous

2.2 Régions volcaniques (3 magmatisme de points chauds) à roches silicatées sans roches calcaires L’altération des silicates par eaux acides libère des ions HCO3- 2.3 (bio) précipitation en carbonates de calcium ou de magnésium (� réservoir de roches carbonatées)

2.4 construction correcte des 4 points qui sont alignés Log([HCO3-])= -a/T + b avec a positif. Soit [HCO3-] = C.exp(-a/T), C est une constante = (exp(b)). Ce type de dépendance vis-à-vis de la température est classique pour de nombreuses réactions chimiques (loi d’Arrhénius). La température est un paramètre pouvant contrôler l’intensité du piégeage de CO2 atmosphérique par l’altération des silicates. Cela implique une rétroaction négative. Quand la température atmosphérique augmente, le piégeage de CO2 atmosphérique augmente d’après la relation établie. L’effet de serre diminuant, la température de l’atmosphère diminue, diminuant l’altération etc… Processus régulateur de la teneur en CO2 atm

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